На V Конгрессе молодых ученых 28 ноября состоялась сессия «Графен: 20 лет спустя. От Нобелевской премии и фундаментальных исследований к прорывным продуктам».
В сессии приняли участие Егор Быковский — директор Центра научной коммуникации МФТИ, Алексей Большаков — директор центра фотоники и двумерных материалов МФТИ, Иван Иорш и Василий Кравцов — ведущие научные сотрудники ИТМО, Дмитрий Мариничев — представитель компании «Русграфен», Ольга Седельникова — старший научный сотрудник Института неорганической химии им. А. В. Николаева Сибирского отделения РАН, Роман Черников — генеральный директор «Графентек», Александр Чернов — руководитель научной группы РКЦ.
Участники обсудили фундаментальные свойства двумерных материалов, современное состояние и перспективы развития этого направления, взаимосвязь бизнеса и науки и перспективы взаимодействия. Особое внимание уделили практическому применению двумерных материалов на наиболее перспективных рынках — медицины и микроэлектроники. Однако спикеры пришли к единому мнению, что ключевой проблемой, неоднократно поднимаемой в дискуссии, был разрыв между лабораторными исследованиями и серийным промышленным производством, а также отсутствие эффективного «интерфейса» между наукой и бизнесом.
Егор Быковский в качестве модератора сессии отметил, что первоначальная эйфория от изобретения графена сменилась более взвешенным подходом, прошла через три критические точки (по классическому циклу Гартнера) от пика завышенных ожиданий через долину разочарования к плато продуктивности. Сейчас эпоха графена заканчивается и начинается эпоха двумерных материалов с заданными свойствами.
Это утверждение нашло подтверждение у спикеров.
«Сейчас уже есть целый зоопарк двумерных материалов: помимо графена — двумерные полупроводники, сверхпроводники, магнитные материалы. Их свойства изучены гораздо меньше, но они очень разнообразны. Плюс двумерных материалов в том, что этими свойствами можно эффективно управлять. При этом графен получил второе дыхание около 2018 года, когда выяснилось, что если два листа графена сложить друг на друга, повернув их под определенным углом, то открывается целый новый мир — твистроника. Сейчас фундаментальный научный интерес к графеновым структурам снова очень высок. Да, двумерных материалов появилось очень много, и они продолжают выходить на рынок»,— отметил в своем выступлении Иван Иорш.
Коллега Ивана Иорша Владимир Скворцов добавил, что очень важно, что двумерные материалы обладают не только интересными свойствами, но и позволяют складывать новые гетероструктуры.
«Двухслойный графен, где слои могут быть повернуты друг на друга, на небольшой угол, достигая сверхпроводимости, не предел возможностей. Сейчас мы изучаем множество полупроводниковых структур, где два слоя, повернутые друг относительно друга, образуют сверхрешетку. Таким образом можно реализовывать квантовые симуляторы»,— отметил Владимир.
В свою очередь, Алексей Большаков отметил, что большой интерес для исследователей представляют не только двумерные структуры, но и кристаллы из новых материалов:
«Не нужно забывать, что слои в совокупности образуют объемный кристалл, который тоже может обладать интересными свойствами. Мы разрабатываем подходы для фотонных интегральных схем, волноводов, резонаторов. Некоторые слоистые материалы обладают рекордным показателем преломления, что определяет компактность элементов. Еще одно направление работы нашего центра — наночастицы из двумерных материалов, которые мы получаем методами абляции. Они обладают интересной „луковичной” структурой и представляют большой интерес для квантовых технологий».
Это перевело участников дискуссии к другой важной теме — технологиям. Насколько возможно создание суверенных технологий в условиях ограничений? На этот вопрос ответила Ольга Седельникова:
«Графен во многих отношениях идеален: высокая подвижность электронов, прочность. Но в этой идеальности кроется проблема для практического использования. Химически инертный графен сложно диспергировать, он слипается. Кроме того, для электроники нужен материал с запрещенной зоной, а у графена ее нет. Еще одна фундаментальная проблема: согласно теореме Ландау—Пайерлса, двумерные мембраны не могут существовать в трехмерном пространстве из-за флуктуаций. Но графен существует. Ответ — в дефектах. Если в идеальную структуру ввести дефекты, ограничение снимается. Дефекты перестают быть проблемой и становятся инструментом управления».
По словам спикера, самый простой способ модифицировать графен — окисление. Окисленный графен дает устойчивые суспензии, что открыло дорогу печатной электронике. Другие возможности — допирование для создания сенсоров или катализаторов, а также фторирование, которое позволяет очень точно настраивать ширину запрещенной зоны.
«Самое интересное, что графен был первой ласточкой, показавшей, что двумерные материалы вообще могут существовать. Будущее, мне кажется, за сборкой „сэндвичей” из разных материалов с разными свойствами»,— добавила Ольга.
Далее слово взял представитель бизнеса Дмитрий Мариничев, компания которого применяет двумерные материалы непосредственно в производстве строительных материалов и в электронике:
«Самое сложное — не получить результат, а достичь его повторяемости. Сегодня мы гарантируем упрочнение бетона в 1,5 раза при добавлении 0,5% графена. Сложность — равномерно распределить эти крохи. Эффективно работает графен при добавлении в краску.
Другое наше направление — CVD-установки для синтеза графена. Мы научились делать повернутые структуры, назвали это „муаровым графеном”. За последние два года сделали первые серийные промышленные датчики тока, аналогов которым в мире нет.
И, наконец, решили острую и старую задачу — теплоотвод. Мы сделали графеновые листы, похожие на бумагу, с теплопроводностью в три раза выше, чем у меди. Это позволяет отводить 1 кВт тепла и рассеивать его естественной конвекцией. Это открывает возможности для размещения серверов ИИ не в дата-центрах, а в обычных помещениях. Также мы видим перспективу в создании солнечных батарей с КПД от 65%, где графен выступает идеальным поглотителем. Главная наша задача сейчас — не научное обоснование, а отработка серийного производства».
Но остается вопрос: кто или что является интерфейсом между наукой и производством? Кто и как определяет, с каким материалом работать дальше?
«Есть препятствия на пути применения графена в микроэлектронике, это развитая кремниевая технология, в которую вложены триллионы долларов. Напрямую интегрировать двумерные материалы сложно. Но это не значит, что не нужно этим заниматься. Возможно, будущее за другой платформой — гибкой электроникой»,— дал ответ Алексей Большаков.
Дмитрий Мариничев выделил необходимость и потребность рынка.
«Когда есть потребность и знания, тогда человек проводит эксперименты. У нас отличные ученые, но затем в процесс приходят дилетанты. Нужна смычка с предпринимателями, которые ведут бизнес на свой страх и риск. Проблема не в нехватке ученых, а в нехватке знаний у конечного пользователя и предпринимателей, имеющих доступ к технологиям. Нужно популяризировать эти технологии в школах и вузах, чтобы молодые инженеры не боялись слова 2D»,— отметил спикер.
Роман Черников предположил, что возможны разные пути:
«Крупные корпорации обладают деньгами для доведения технологии до промышленного применения. Более мобильные стартапы не всегда имеют такой запас, зато гибки и нацелены на результат, в отличие от супергигантов, которые часто застревают на каких-то уже работающих решениях и не слишком стремятся к новому и неизведанному. Также возможен путь через венчурное финансирование от физических лиц, если бы была культура инвестирования в научные компании. Именно эту идею прорабатывают в МФТИ».
Слушатели задали много вопросов. Участников более всего интересовало, чем по своим свойствам и эффективности применения отличаются нанотрубки и графен, какие области применения ждут двумерные материалы в ближайшие годы.
В заключение модератор сессии провел блиц-опрос, спросив спикеров: какие 2D-продукты через 10 лет победят и в какой области применения? Спикеры выделили успешно развивающиеся КМОП-технологию (комплементарная структура металл-оксид-полупроводник), гибкие биосенсоры, реализацию фотонных интегральных схем с развитием технологий травления, осаждения контактов, а также выделили более широкое и активное применение двумерных материалов в сугубо потребительских областях: строительстве, зеленой энергетике, машиностроении и медицине.
